Το υγρό είναι μία από τις τέσσερις καταστάσεις της ύλης, ενώ οι άλλες είναι στερεά, αέρια και πλάσμα. Η μελέτη της φυσικής που σχετίζεται με τα υγρά είναι μια εκπληκτικά μεγάλη περιοχή. Αλλά όταν σκεφτείτε πόσο μεγάλο μέρος της ζωής σας εξαρτάται από το νερό που ρέει μέσω σωλήνων ή από βάρκες που μπορούν να επιπλέουν στον ωκεανό ή ακόμα και το σιρόπι τηγανίτας σας μπορεί να ρέει σωστά από το δοχείο του, είναι εύκολο να καταλάβετε γιατί είναι η μελέτη και η κατανόηση των υγρών σπουδαίος.
Κράτη ύλης
Υπάρχουν τέσσερις κύριες καταστάσεις της ύλης: στερεά κατάσταση, υγρή κατάσταση, κατάσταση αερίου και πλάσμα. Το θέμα μπορεί να αλλάξει από τη μία κατάσταση στην άλλη ανάλογα με τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.
Σε ένα στερεός, τα μόρια του υλικού είναι στενά συνδεδεμένα και το υλικό διατηρεί το σχήμα του. Σε ένα υγρό, τα μόρια είναι λιγότερο σφιχτά συνδεδεμένα και μπορούν να ολισθαίνουν ή να ρέουν το ένα πάνω στο άλλο. Σε ένα αέριο, τα μόρια διαχωρίζονται μεταξύ τους. Ένα αέριο θα γεμίζει πάντα το δοχείο στο οποίο βρίσκεται και μπορεί εύκολα να διαστέλλεται και να συστέλλεται, ενώ τα υγρά και τα στερεά δεν μπορούν (ή τουλάχιστον όχι στον ίδιο βαθμό.)
Όταν ένα αέριο συμπυκνώνεται και τα μόρια γίνονται αρκετά κοντά για να επηρεάσουν το ένα το άλλο και να κολλήσουν, μετατρέπεται σε υγρή μορφή. Αυτό συνήθως απαιτεί ψύξη, η οποία αφαιρεί την ενέργεια από το σύστημα.
Όταν λιώνει κάτι σε στερεά μορφή, γίνεται υγρό. Αυτό συνήθως απαιτεί θέρμανση που προσθέτει ενέργεια στο σύστημα. Καθώς η θερμοκρασία του υλικού αυξάνεται, η μοριακή κίνηση αυξάνεται και ξεπερνά τις διαμοριακές δυνάμεις που προσπαθούν να συγκρατήσουν τα μόρια άκαμπτα μεταξύ τους.
Ορισμός του υγρού
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το υγρό είναι μια κατάσταση ύλης. Το ασυμπίεστο των υγρών σημαίνει ότι έχουν σταθερός όγκος (καθορισμένος όγκος) και μην επεκτείνετε ή συστέλλετε με σημαντικό τρόπο όπως ένα αέριο.
Σε ένα υγρό, τα μόρια ενώνονται αδύναμα από συνεκτικές δυνάμεις και μπορούν να ρέουν ελεύθερα το ένα πάνω στο άλλο. Τα υγρά παίρνουν το σχήμα του κάτω μέρους οποιουδήποτε δοχείου βρίσκονται και δεν διατηρούν ένα συγκεκριμένο σχήμα όπως τα στερεά.
Τα υγρά συχνά κατηγοριοποιούνται ως α υγρό, η οποία είναι μια ευρύτερη ετικέτα που εφαρμόζεται τόσο στα υγρά όσο και στα αέρια. Ένα υγρό είναι μια ουσία που μπορεί να ρέει και πολλοί από τους νόμους της φυσικής που ισχύουν για τη ροή του υγρού ισχύουν επίσης για τη ροή των αερίων.
Παραδείγματα υγρών
Παραδείγματα υγρών υπάρχουν γύρω σας. Αυτό που πιθανότατα γνωρίζετε περισσότερο είναι το νερό, επειδή απαιτείται για τη ζωή και καλύπτει περίπου το 71% της επιφάνειας της γης. Επειδή το νερό είναι σε υγρή μορφή σε τυπικές θερμοκρασίες στη Γη, πιστεύεται ότι είναι ο λόγος που η ζωή μπόρεσε να σχηματιστεί και να ανθίσει εδώ.
Υπάρχουν, φυσικά, πολλές άλλες ουσίες που είναι υγρές σε θερμοκρασία δωματίου, όπως αλκοόλ, βενζίνη και ακόμη και υδράργυρος.
Ουσίες που υπάρχουν σε υγρή μορφή μόνο σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες περιλαμβάνουν ακετυλένιο, διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο και υγρό άζωτο. Ουσίες που υπάρχουν σε υγρή μορφή μόνο σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες περιλαμβάνουν αλουμίνιο και πολλά άλλα μέταλλα, άνθρακα, πορσελάνη και άμμο.
Υγρό κρύσταλλο είναι μια κατάσταση ύλης μεταξύ υγρού και στερεού. Ορισμένες ουσίες έχουν ουσιαστικά δύο διαφορετικά σημεία τήξης: Ένα στο οποίο γίνονται υγροί κρύσταλλοι και ένα άλλο υψηλότερο σημείο στο οποίο γίνονται ένα κανονικό υγρό. Οι υγροί κρύσταλλοι μπορούν να ρέουν σαν ένα υγρό αλλά επίσης εμφανίζουν συμμετρίες που συνήθως σχετίζονται με κρυσταλλικά στερεά. Οι υγροί κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται σε οθόνες ρολογιών, αριθμομηχανών και τηλεοράσεων.
Πίεση σε ένα υγρό
Η πίεση είναι ένα μέτρο της δύναμης ανά μονάδα επιφάνειας. Σε μια υγρή ουσία, όλα τα υγρά μόρια πιέζονται μεταξύ τους και δημιουργούν ένα εσωτερική πίεση. Μπορείτε να φανταστείτε τα τοιχώματα του δοχείου να αισθάνονται επίσης αυτήν τη δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας, και εάν επρόκειτο να τρυπήσετε μια τρύπα, η πίεση θα αναγκάσει το υγρό να βγεί έξω
Η πίεση σε ένα υγρό είναι επίσης ο λόγος για τον οποίο μπορείτε να επιπλεύσετε στην πισίνα. Η σχετική δύναμη εξουδετερώνει τη βαρύτητα.
Η τιμή της πίεσης σε ένα υγρό εξαρτάται από την πυκνότητα και το βάθος του υγρού. Η σχέση έχει ως εξής:
Οπου Π είναι πίεση, ρ είναι πυκνότητα, ρε είναι βάθος και σολ είναι η επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας.
Το γεγονός ότι η πίεση αυξάνεται με βάθος είναι ο λόγος για τον οποίο οι δύτες πρέπει να είναι προσεκτικοί. Πρέπει να επιτρέψουν στο σώμα τους να εγκλιματιστεί σε αυξήσεις και μειώσεις της πίεσης για να αποφευχθεί τραυματισμός.
Για υγρό σε σωλήνα, οι διαφορές στην πίεση κατά μήκος του σωλήνα θα προκαλέσουν τη ροή του υγρού. Αυτό συμβαίνει επειδή η πίεση είναι ουσιαστικά μια δύναμη και μια ανισορροπημένη δύναμη προκαλεί αλλαγή στην κίνηση.
Αρχή του Αρχιμήδη
Όπως πιθανότατα γνωρίζετε, ορισμένα αντικείμενα επιπλέουν και κάποια αντικείμενα βυθίζονται, ακόμη και αυτά που βυθίζονται τείνουν να το κάνουν αργά. Αυτό μας λέει ότι πρέπει να υπάρχει μια δύναμη που εφαρμόζει το υγρό που αντισταθμίζει τη βαρύτητα. Αυτή η δύναμη ονομάζεται πλευστή δύναμη. Η αρχή του Αρχιμήδη περιγράφει το πλευστή δύναμη σε ένα υγρό, δηλαδή τη δύναμη που προκαλεί τα αντικείμενα να επιπλέουν.
Ο Αρχιμήδης δηλώνει την τιμή της πλευστικής δύναμης πολύ απλά: Είναι ίση με το βάρος του υγρού που μετατοπίζεται από το βυθισμένο αντικείμενο. Αυτό το βάρος υπολογίζεται εύκολα ως το προϊόν του όγκου του αντικειμένου (ή του τμήματος του αντικειμένου) που βυθίζεται, η πυκνότητα του υγρού και g, η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας.
Δεδομένου ότι η δύναμη της βαρύτητας σε ένα αντικείμενο είναι το προϊόν της μάζας και του g, και η μάζα του είναι ίση με το προϊόν του όγκου και της πυκνότητάς του, είναι εύκολο να δούμε ότι για να επιπλέουν, τα αντικείμενα πρέπει να είναι λιγότερο πυκνά από νερό.
Ιξώδες και υγρά
Μια άλλη ιδιότητα των υγρών είναι το ιξώδες. Το ιξώδες είναι ένα μέτρο του πόσο λεπτό ή παχύ είναι ένα υγρό ή η αντίστασή του στη ροή ή στα αντικείμενα που διέρχονται από αυτό. Αν συγκρίνατε το σιρόπι με το νερό, για παράδειγμα, θα παρατηρούσατε ότι το νερό ρίχνει πιο γρήγορα και πιο γρήγορα από το παχύρρευστο σιρόπι. Αυτό συμβαίνει επειδή το σιρόπι έχει υψηλότερο ιξώδες. Λέγεται ότι είναι πιο ιξώδες.
Το ιξώδες προκαλείται από τριβή μεταξύ μορίων σε στρώματα ρέοντος υγρού. Όσο μεγαλύτερη είναι η τριβή, τόσο μεγαλύτερο είναι το ιξώδες. Παράγοντες που προσδιορίζουν το ιξώδες υγρών περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία και το μοριακό σχήμα.
